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摘 要：半成品常规腐蚀检查是发现材料缺陷常用的一种检验工艺。对钛合金半成品零件在常规腐蚀检查工序中常出现的缺陷进行分析，有助于更好的认识产生缺陷的工艺技术问题。按照宏观特征进行分类，主要包括亮条/点、暗条/点，烧伤“白斑”，清晰晶等，本文分别对各类宏观缺陷的分布特征、性质分析、原因分析、工艺措施进行阐述。
关键词：钛合金;半成品;腐蚀;材料缺陷
Corrosion Inspection of Titanium Alloy Semi-finished Products and Analysis of Common Material Defects
DENG Juan
（AECC Chengdu Engine Co.， LTD）
Abstract：Conventional corrosion inspection of semi-finished products is a common inspection process to find material defects.This paper analyzes the defects of semi-finished parts of titanium alloy in the routine corrosion inspection process， which is helpful to better understand the technical problems of the defects.It is classified according to the macroscopic characteristics， including bright strip/point， dark strip/point， burn "white spot"， clear crystal， etc. This paper expounds the distribution characteristics， property analysis， cause analysis and process measures of various macroscopic defects.
Keywords：titanium alloys; semi-finished products; corrosion;material defect
引言
材料是航空产品发展的物质基础，是决定航空产品性能和使用寿命的关键。随着材料科学与工程技术的发展，新材料不断更新、涌现。与此同时，航空技术的研究发展，迫切需要将具有轻质、高强度、耐热耐蚀等特点的新材料在航空领域中得到应用和推广。钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特性，是一种轻质高强度耐蚀结构材料。美国于20 世纪50 年代初成功研制出了世界上第一种钛合金Ti-6A1-4V，其长期使用温度为300 ～350 ℃。随后其他各国先后研制出使用温度可达400 ℃左右的IMI550（英）、BT3-1（俄） 等合金;450 ～ 500 ℃的IMI679（英）、IMI685（英）、Ti-6246（美）等合金;500 ～ 550 ℃的Ti-6242S（美）、IMI685（英）、IMI829（英）、BT25（俄）、BT18Y（俄）等合金[1-5]。
我国早期生产的涡喷发动机均不用钛。TC4钛合金在涡喷6及其改性机上的应用是我国航空发动机用钛合金历史上的突破，为我国航空发动机用钛掀开了崭新的一页，从而加强了航空工业系统应用钛合金的决心和信心。1978年开始研制并于1988年初设计定型的涡喷13发动机的钛用量达到13%;2002年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量提高到15%，使用温度不超过400℃;我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到25%的水平[1-4，10-12]。
根据国内外航空钛合金的发展情况以及存在的问题，在短期内，国内航空用钛合金的发展方向会向着低成本制造航空用高强高韧钛合金、高温钛合金、耐腐蚀钛合金、损伤容限钛合金发展，以满足航空产品日新月异的设计要求，也为推动航空产品的发展起到推动作用[13，14]。本文分别对各类宏观缺陷的分布特征、性质分析、原因分析、工艺措施进行阐述。
1 亮条/点和暗条/点
1.1 分布特征
在对TC6、TC2、TA11等钛合金叶片表面腐蚀检验时，偶尔会在叶身表面发现细小的亮点或亮条等异常显示情况，程度不一。截止目前发现的亮条沿叶身纵向排列，长短不一，最长的亮条可贯穿整个叶片表面。在钛合金叶片上发现暗条或暗点的情况较少，曾在TC11钛合金叶片腐蚀检查发现β斑。
1.2 性质分析
在钛合金叶片半成品腐蚀检查后发现的亮条或暗条，一般可根据出现的情况和特征大致分类，但需结合显微组织、微区成分、显微硬度等检查情况進行综合性质确认。主要包括化学成分偏析、热变形或热处理引起的局部初生α相粗大和长条α相、β相富集以及细小的组织状态等组织差异。
化学成分偏析从形成原因可包括间隙元素（氧、氮、碳）偏析和合金元素（铝、钼、钛）偏析。我厂目前常见的TC6、TC2叶片的化学成分偏析主要是合金元素偏析，缺陷处显微硬度比基体或高或低，但差异不大。一般高铝低钼偏析（钛含量略高）初生含α量明显高于基体，显微硬度高于基体，存在过渡区。钼高铝钛略低偏析缺陷主要是β偏析，显微硬度略低，存在过渡区。富钛偏析（铝和钼低于基体）初生α量明显高于基体，显微硬度低于基体，存在过渡区。
热变形或热处理不当引起的局部初生α相粗大和长条α相，微区成分差异不大。在棒材热变形和叶片锻件变形过程中受到形状的限制，会在变形死区会形成细小的组织状态，在宏观上呈现线性显示，一般显微硬度没有差异，为区分这种情况，需将出现的位置与变形工艺过程结合进行分析。 1.3 原因分析
1.3.1 熔炼过程
因α稳定化元素Al、Ti，以及β稳定化元素Cr、Fe，属于易偏析元素，在熔炼过程中，易局部形成偏析，导致β相或α相相对偏高。通过三次熔炼方式和合理制定熔化工艺尽可能确保铸锭成分均匀。但铸锭仍存在微区元素成分差异，且微区差异是不可避免的，关键是如何能够将这种差异变得更小，出现的几率更低的问题。
在棒材的生产过程中，如果坯料中存在化学成分偏析的缺陷，则缺陷被逐步拔长，沿棒材的轴向呈条状分布。在对棒材的横截面进行显微组织抽样检查时发现缺陷的几率是很小的。但当棒材被制造成叶片，在对叶片逐个进行表面腐蚀检查时，发现缺陷的几率远远增加。这就是经常在叶片检查时发现缺陷的几率远远大于在棒材金相检验时高得多的原因。
1.3.2 棒材轧制过程
棒坯轧制加工过程中存在不均匀变形的问题，即难变形区、易变形区和自由变形区，由于变形的不均匀，在变形热的作用下，接近于变形温度变形时，会导致变形区的组织初生α相含量的差异，温度较高的部位初生α相对较少，相对于而言，β相的富集当变形温度距β相相变点接近时更易发生，从而导致局部区域发生了组织转变。这种组织异常组织很难在后续锻造过程中得到改善，缺陷被逐步拔长，沿棒材的轴向呈条状分布。
1.3.3 叶片锻造过程
叶片锻造工艺参数不当，易产生组织不均匀，这种情况一般会出现在每件叶片上，且位置应很容易识别。
在叶片类锻件叶身结构特点，叶片毛坯在变形时，叶盆和叶背处于“变形死区”，变形较小，越向中心变形越大，致使叶片断面中心因金属局部剧烈流动而形成“应变线”。经腐蚀后，形成暗白条。对应变线引起的暗白条区进行电子探针微区成分分析及显微硬度测量，基体与暗白条区的化学成分、显微硬度没有差异。部分标准会考虑叶片实际的尺寸情况，规定允许存在应变线[1]。
1.4 工艺措施
化学成分偏析一般可通过加强配料选择、电极制备、合金熔炼等工艺的控制，并加强工序间的检验;热变形参数的设置，需结合实际棒坯的相變点、均匀性并考虑材料变形过程中的温升;应变线可通过调整叶片锻造和热处理工艺参数来减轻和消除。
2 抛光烧伤白斑
2.1 分布特征
在对TC6、TC2、TA11等钛合金叶片表面腐蚀检验时，偶尔会发现另一类“白斑”显示，出现位置比较随机，一般情况下，检验人员在此不处理该类显示，经抛光后，在后续烧伤检查工序，可能会消失;但也可能会在抛光区域出现“白斑”，或轻或重，在叶片进排气边出现的较多。
2.2 性质分析
在高倍下观察，轻度烧伤“白斑”区域初生α相减少，β转中的次生α相变的更细小;较严重抛光烧伤“白斑”区域初生α相减少，相界模糊，β转中的次生α相消失，显微硬度下降。
2.3 原因分析
因钛合金导热性差，抛光不当时，产生的热量不能迅速传导，致使叶片表层引起小体积范围内温度升高。但因抛光时间较短，未发生明显的氧污染。
2.4 工艺措施
为了保证叶片的型面尺寸和表面粗糙度符合图纸要求，国内外普遍采用手工抛光工艺来精加工叶片的型面。查阅相关料资料，当已经发生上述抛光烧伤时，可通过退火处理恢复显微硬度值，但因其他尺寸等原因，正式叶片未开展此工艺。因此，抛光的质量还是主要依靠操作工人的手工技巧和责任心。
3 清晰晶
3.1 分布特征
在对采用双相区锻造而成的TC6盘、TC6/TC2环等零件在腐蚀检查工序，常常出现判定异议的一类缺陷，即清晰晶。出现异议时，主要依靠便携式显微镜对疑似清晰晶区域进行高倍组织观察判定。该类缺陷常常在单批次大量零件或同批次局部零件或局部区域出现。
3.2 性质分析
经高倍组织观察，为粗大的魏氏组织或少量的α+粗大的β转组织。
3.3 原因分析
对于采用双相区锻造而成的TC6盘、TC6/TC2环等零件出现清晰晶，说明该零件在清晰晶的区域经历了超过或接近β相变点的加热过程，包括锻造加热过程和热处理过程。批次性的可能和工艺参数不当或热处理系统超温有关，局部零件或零件的局部位置出现，且炉膛温度正常，可能与零件放置位置超过炉温均匀性区域，接近加热源有关。
3.4 工艺措施
钛合金的加热温度的设定需考虑实际棒材的大小、组织均匀性、该批次β相变点，并结合锻件的大小，和钛合金材料在变形中的温升综合进行考虑。同时，放置零件的位置需在炉温均匀性测试范围内，并注意放置的方式。
4 其他缺陷
钛合金腐蚀检查可能出现的其他缺陷还包括金属夹杂、非金属夹杂等，暂时在我厂用钛合金材料在腐蚀检查中暂未发现;以及钛合金零件腐蚀检查低倍晶粒超标，当按照标准评价，在合格与不合格的边界时，可借助显微镜进行综合评价。在此不再详细阐述。
5 结论
目前出现的钛合金叶片半成品腐蚀检查工艺发现的亮条/点和暗条/点主要是化学成分偏析、热变形或热处理工艺控制不当、以及容易引起异议的叶片锻造时形成的应变线，引起的高低倍组织上的差异;抛光烧伤“白斑”主要是和操作工的经验技巧和责任心有关;钛合金盘、环清晰晶主要与加热过程或热处理过程有关。
参考文献
[1] C.莱茵斯， M.皮特尔斯 编.陈振华， 等译.钛与钛合金.北京： 化学工业出版社， 2005年， 292-305.
[2] 赵树萍， 吕双坤， 郝文杰.钛合金及其表面处理.哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 2005年，74-80.
[3] 张喜燕， 赵永庆， 白晨光. 钛合金及应用. 北京： 化学工业出版社， 2005年，289-292.
[4] 黄旭， 李臻熙， 黄浩. 高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展.中国材料进展，2011，30（6）：21-27.
[5] 吴全兴摘译. 美国钛研究开发的新动向.钛工业进展， 2011，28（5）：45-46.
[6] 孟庆兰， 关淑敏， 李中.世界航空钛市场现状及发展趋势.钛合金进展.2011，28（2）：1-3.
[7] 聂晶， 杨瑾， 童悦.大型民用发动机关键技术现状与发展趋势.航空制造技术， 2012，（21）：34-36.
[8] 张华.俄罗斯钛工业发展现状与前景.中国钛业.2012，（4）：6-11.
[9] 商国强， 朱知寿， 常辉， 等.超高强度钛合金研究进展.稀有金属. 2011， 35（2）：286-290.
[10] 曾立英， 赵永庆， 洪权， 等. 600℃高温钛合计的研发.钛工业进展， 29（5）：1-5.
[11] 魏寿庸， 王青江， 何瑜， 等.航空发动机用BT25和BT25y热强钛合金评述.钛合金进展.2013，30（4）：9-14.
[12] 施宗灿.多彩的人生-记中国科学院院士曹春晓. 北京：航空工业出版社， 2010年，74-134.
[13] 朱知寿， 商国强， 王新南， 等.低成本高性能钛合金研究进展.钛工业进展， 2012，29（6）：1-4.
[14] 郭建军.低成本钛合金产品的评估.国外公司及工艺介绍.2012，（1）：32-34.
关键词：钛合金;半成品;腐蚀;材料缺陷
Corrosion Inspection of Titanium Alloy Semi-finished Products and Analysis of Common Material Defects
DENG Juan
（AECC Chengdu Engine Co.， LTD）
Abstract：Conventional corrosion inspection of semi-finished products is a common inspection process to find material defects.This paper analyzes the defects of semi-finished parts of titanium alloy in the routine corrosion inspection process， which is helpful to better understand the technical problems of the defects.It is classified according to the macroscopic characteristics， including bright strip/point， dark strip/point， burn "white spot"， clear crystal， etc. This paper expounds the distribution characteristics， property analysis， cause analysis and process measures of various macroscopic defects.
Keywords：titanium alloys; semi-finished products; corrosion;material defect
引言
材料是航空产品发展的物质基础，是决定航空产品性能和使用寿命的关键。随着材料科学与工程技术的发展，新材料不断更新、涌现。与此同时，航空技术的研究发展，迫切需要将具有轻质、高强度、耐热耐蚀等特点的新材料在航空领域中得到应用和推广。钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特性，是一种轻质高强度耐蚀结构材料。美国于20 世纪50 年代初成功研制出了世界上第一种钛合金Ti-6A1-4V，其长期使用温度为300 ～350 ℃。随后其他各国先后研制出使用温度可达400 ℃左右的IMI550（英）、BT3-1（俄） 等合金;450 ～ 500 ℃的IMI679（英）、IMI685（英）、Ti-6246（美）等合金;500 ～ 550 ℃的Ti-6242S（美）、IMI685（英）、IMI829（英）、BT25（俄）、BT18Y（俄）等合金[1-5]。
我国早期生产的涡喷发动机均不用钛。TC4钛合金在涡喷6及其改性机上的应用是我国航空发动机用钛合金历史上的突破，为我国航空发动机用钛掀开了崭新的一页，从而加强了航空工业系统应用钛合金的决心和信心。1978年开始研制并于1988年初设计定型的涡喷13发动机的钛用量达到13%;2002年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量提高到15%，使用温度不超过400℃;我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到25%的水平[1-4，10-12]。
根据国内外航空钛合金的发展情况以及存在的问题，在短期内，国内航空用钛合金的发展方向会向着低成本制造航空用高强高韧钛合金、高温钛合金、耐腐蚀钛合金、损伤容限钛合金发展，以满足航空产品日新月异的设计要求，也为推动航空产品的发展起到推动作用[13，14]。本文分别对各类宏观缺陷的分布特征、性质分析、原因分析、工艺措施进行阐述。
1 亮条/点和暗条/点
1.1 分布特征
在对TC6、TC2、TA11等钛合金叶片表面腐蚀检验时，偶尔会在叶身表面发现细小的亮点或亮条等异常显示情况，程度不一。截止目前发现的亮条沿叶身纵向排列，长短不一，最长的亮条可贯穿整个叶片表面。在钛合金叶片上发现暗条或暗点的情况较少，曾在TC11钛合金叶片腐蚀检查发现β斑。
1.2 性质分析
在钛合金叶片半成品腐蚀检查后发现的亮条或暗条，一般可根据出现的情况和特征大致分类，但需结合显微组织、微区成分、显微硬度等检查情况進行综合性质确认。主要包括化学成分偏析、热变形或热处理引起的局部初生α相粗大和长条α相、β相富集以及细小的组织状态等组织差异。
化学成分偏析从形成原因可包括间隙元素（氧、氮、碳）偏析和合金元素（铝、钼、钛）偏析。我厂目前常见的TC6、TC2叶片的化学成分偏析主要是合金元素偏析，缺陷处显微硬度比基体或高或低，但差异不大。一般高铝低钼偏析（钛含量略高）初生含α量明显高于基体，显微硬度高于基体，存在过渡区。钼高铝钛略低偏析缺陷主要是β偏析，显微硬度略低，存在过渡区。富钛偏析（铝和钼低于基体）初生α量明显高于基体，显微硬度低于基体，存在过渡区。
热变形或热处理不当引起的局部初生α相粗大和长条α相，微区成分差异不大。在棒材热变形和叶片锻件变形过程中受到形状的限制，会在变形死区会形成细小的组织状态，在宏观上呈现线性显示，一般显微硬度没有差异，为区分这种情况，需将出现的位置与变形工艺过程结合进行分析。 1.3 原因分析
1.3.1 熔炼过程
因α稳定化元素Al、Ti，以及β稳定化元素Cr、Fe，属于易偏析元素，在熔炼过程中，易局部形成偏析，导致β相或α相相对偏高。通过三次熔炼方式和合理制定熔化工艺尽可能确保铸锭成分均匀。但铸锭仍存在微区元素成分差异，且微区差异是不可避免的，关键是如何能够将这种差异变得更小，出现的几率更低的问题。
在棒材的生产过程中，如果坯料中存在化学成分偏析的缺陷，则缺陷被逐步拔长，沿棒材的轴向呈条状分布。在对棒材的横截面进行显微组织抽样检查时发现缺陷的几率是很小的。但当棒材被制造成叶片，在对叶片逐个进行表面腐蚀检查时，发现缺陷的几率远远增加。这就是经常在叶片检查时发现缺陷的几率远远大于在棒材金相检验时高得多的原因。
1.3.2 棒材轧制过程
棒坯轧制加工过程中存在不均匀变形的问题，即难变形区、易变形区和自由变形区，由于变形的不均匀，在变形热的作用下，接近于变形温度变形时，会导致变形区的组织初生α相含量的差异，温度较高的部位初生α相对较少，相对于而言，β相的富集当变形温度距β相相变点接近时更易发生，从而导致局部区域发生了组织转变。这种组织异常组织很难在后续锻造过程中得到改善，缺陷被逐步拔长，沿棒材的轴向呈条状分布。
1.3.3 叶片锻造过程
叶片锻造工艺参数不当，易产生组织不均匀，这种情况一般会出现在每件叶片上，且位置应很容易识别。
在叶片类锻件叶身结构特点，叶片毛坯在变形时，叶盆和叶背处于“变形死区”，变形较小，越向中心变形越大，致使叶片断面中心因金属局部剧烈流动而形成“应变线”。经腐蚀后，形成暗白条。对应变线引起的暗白条区进行电子探针微区成分分析及显微硬度测量，基体与暗白条区的化学成分、显微硬度没有差异。部分标准会考虑叶片实际的尺寸情况，规定允许存在应变线[1]。
1.4 工艺措施
化学成分偏析一般可通过加强配料选择、电极制备、合金熔炼等工艺的控制，并加强工序间的检验;热变形参数的设置，需结合实际棒坯的相變点、均匀性并考虑材料变形过程中的温升;应变线可通过调整叶片锻造和热处理工艺参数来减轻和消除。
2 抛光烧伤白斑
2.1 分布特征
在对TC6、TC2、TA11等钛合金叶片表面腐蚀检验时，偶尔会发现另一类“白斑”显示，出现位置比较随机，一般情况下，检验人员在此不处理该类显示，经抛光后，在后续烧伤检查工序，可能会消失;但也可能会在抛光区域出现“白斑”，或轻或重，在叶片进排气边出现的较多。
2.2 性质分析
在高倍下观察，轻度烧伤“白斑”区域初生α相减少，β转中的次生α相变的更细小;较严重抛光烧伤“白斑”区域初生α相减少，相界模糊，β转中的次生α相消失，显微硬度下降。
2.3 原因分析
因钛合金导热性差，抛光不当时，产生的热量不能迅速传导，致使叶片表层引起小体积范围内温度升高。但因抛光时间较短，未发生明显的氧污染。
2.4 工艺措施
为了保证叶片的型面尺寸和表面粗糙度符合图纸要求，国内外普遍采用手工抛光工艺来精加工叶片的型面。查阅相关料资料，当已经发生上述抛光烧伤时，可通过退火处理恢复显微硬度值，但因其他尺寸等原因，正式叶片未开展此工艺。因此，抛光的质量还是主要依靠操作工人的手工技巧和责任心。
3 清晰晶
3.1 分布特征
在对采用双相区锻造而成的TC6盘、TC6/TC2环等零件在腐蚀检查工序，常常出现判定异议的一类缺陷，即清晰晶。出现异议时，主要依靠便携式显微镜对疑似清晰晶区域进行高倍组织观察判定。该类缺陷常常在单批次大量零件或同批次局部零件或局部区域出现。
3.2 性质分析
经高倍组织观察，为粗大的魏氏组织或少量的α+粗大的β转组织。
3.3 原因分析
对于采用双相区锻造而成的TC6盘、TC6/TC2环等零件出现清晰晶，说明该零件在清晰晶的区域经历了超过或接近β相变点的加热过程，包括锻造加热过程和热处理过程。批次性的可能和工艺参数不当或热处理系统超温有关，局部零件或零件的局部位置出现，且炉膛温度正常，可能与零件放置位置超过炉温均匀性区域，接近加热源有关。
3.4 工艺措施
钛合金的加热温度的设定需考虑实际棒材的大小、组织均匀性、该批次β相变点，并结合锻件的大小，和钛合金材料在变形中的温升综合进行考虑。同时，放置零件的位置需在炉温均匀性测试范围内，并注意放置的方式。
4 其他缺陷
钛合金腐蚀检查可能出现的其他缺陷还包括金属夹杂、非金属夹杂等，暂时在我厂用钛合金材料在腐蚀检查中暂未发现;以及钛合金零件腐蚀检查低倍晶粒超标，当按照标准评价，在合格与不合格的边界时，可借助显微镜进行综合评价。在此不再详细阐述。
5 结论
目前出现的钛合金叶片半成品腐蚀检查工艺发现的亮条/点和暗条/点主要是化学成分偏析、热变形或热处理工艺控制不当、以及容易引起异议的叶片锻造时形成的应变线，引起的高低倍组织上的差异;抛光烧伤“白斑”主要是和操作工的经验技巧和责任心有关;钛合金盘、环清晰晶主要与加热过程或热处理过程有关。
参考文献
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